Normas Norteamericanas: Una Comparación Entre IEEE y las Normas Chinas de Interruptores

La norma IEEE Std C37.20.9™ define los requisitos de diseño, pruebas e instalación para el equipo de conmutación metálico cerrado aislado por gas (MEGIS) que utiliza gas a presiones superiores a la atmosférica como medio de aislamiento principal para sistemas de corriente alterna con una clasificación de 1 kV a 52 kV. Esto incluye, pero no se limita a, interruptores, conmutadores, terminales, barras colectoras, transformadores instrumentales, terminaciones de cable, medidores y relés de control/protección. En estos conjuntos de conmutación, los compartimentos verticales, algunos o todos los sectores de media tensión, están aislados principalmente por gas a presión. La norma se aplica tanto a instalaciones interiores como exteriores.

Históricamente, el tipo predominante de equipo de conmutación en el mercado estadounidense ha sido el aislado por aire, revestido de metal. Para aplicaciones de distribución en anillo, se han utilizado comúnmente transformadores montados en plataforma al estilo americano, donde los componentes de alta tensión, como interruptores de carga y fusibles de alta tensión, se alojan junto con el núcleo y las bobinas del transformador dentro de un tanque lleno de aceite de alto punto de inflamación, o alternativamente, se emplean interruptores de carga aislados por aire. Como consecuencia, la adopción de equipos de conmutación aislados por gas en los Estados Unidos ocurrió relativamente tarde.

Con la introducción de equipos de conmutación aislados por gas de fabricantes europeos como ABB y Schneider Electric en el mercado estadounidense, los clientes comenzaron a aceptar y adoptar esta tecnología. Como resultado, la norma IEEE para equipos de conmutación aislados por gas se desarrolló más tarde y solo se publicó oficialmente en 2019. Esta norma se basa en gran medida en las normas IEC, pero se ha modificado en cuanto a parámetros, construcción y requisitos de prueba para alinearse con la IEEE C37.20.2 y otras normas relevantes de la IEEE, especialmente para cumplir con los requisitos de seguridad de la IEEE para el equipo.

1. Condiciones Ambientales de Uso

a) Temperatura de operación: máxima +40 °C; promedio durante 24 horas no superior a +35 °C; mínima –5 °C.
b) Altitud: no superior a 3,300 pies (1,000 metros).
c) Grado de protección de la carcasa: NEMA 250 Tipo 1 (IP20) para uso interior; Tipo 3R (IP24) para uso exterior.

Según GB/T 11022, el equipo de conmutación interior en China se clasifica en tres categorías de temperatura ambiente mínima: –5 °C, –15 °C y –25 °C. La temperatura mínima de operación especificada en la IEEE C37.20.9 para equipos de conmutación aislados por gas (–5 °C) es mayor que la especificada en la IEEE C37.20.2 para equipos de conmutación aislados por aire (–30 °C). Por lo tanto, los equipos de conmutación aislados por gas que cumplen con las normas chinas pueden satisfacer completamente los requisitos ambientales de la IEEE C37.20.9.

La tabla 1 a continuación muestra los requisitos de la IEEE C37.20.9 para la tensión nominal, la tensión de resistencia a frecuencia industrial y la tensión de resistencia a impulso de rayo para equipos de conmutación aislados por gas.

Tabla 1 – Clasificaciones de Tensión de Aislamiento para Equipos de Conmutación Aislados por Gas según IEEE C37.20.9

Las clasificaciones de voltaje de los equipos de conmutación según las normas norteamericanas difieren de aquellas en China. Por lo tanto, el equipo de conmutación aislado por gas (GIS) debe cumplir con los requisitos de tensión soportada alterna y de impulso de rayo especificados en las normas IEEE. Por ejemplo, un gabinete GIS de 12 kV diseñado según las normas chinas solo puede cumplir con los requisitos de prueba dieléctrica para la clase de tensión de 4,76 kV bajo las normas estadounidenses, mientras que un gabinete GIS chino de 24 kV puede satisfacer los requisitos de aislamiento para clases de tensión hasta y incluyendo 27 kV.

La IEEE Std 386™-2016 especifica requisitos para conectores aislados separables utilizados en sistemas de distribución con calificaciones de 2,5 kV a 35 kV—conocidos comúnmente como la norma del "conector codo estilo americano". Estos conectores se utilizan ampliamente en equipos de estándar estadounidense, como transformadores montados en pedestales y cajas de distribución de cables. En contraste, el equipo de conmutación aislado por gas chino generalmente emplea empalmes de cable y enchufes conforme a EN 50181. La norma IEEE para el equipo de conmutación aislado por gas incluye requisitos específicos de pruebas dieléctricas para varios tipos de accesorios de terminación de cable.

2 Corriente Nominal
Los valores recomendados para la corriente continua nominal de las barras colectoras principales en el equipo de conmutación aislado por gas de IEEE (MEGIS) son 200 A, 600 A, 1200 A, 2000 A, 2500 A, 3000 A y 4000 A—diferentes de las calificaciones comunes chinas como 630 A, 1250 A y 3150 A.

3 Frecuencia Nominal
La norma IEEE especifica una frecuencia nominal de 60 Hz, mientras que la frecuencia estándar en China es de 50 Hz. La frecuencia más alta de 60 Hz tiene un impacto significativo en el aumento de temperatura y el rendimiento de interrupción de cortocircuitos. Según GB/T 11022, para el equipo de conmutación y control con calificaciones de 50 Hz o 60 Hz—siempre que no haya componentes ferromagnéticos cerca de las partes conductoras de corriente—si el aumento de temperatura medido durante la prueba de corriente continua a 50 Hz no excede el 95% del límite máximo permitido, el equipo se considera conforme para ambas frecuencias, es decir, también cumple con el requisito de aumento de temperatura a 60 Hz.

Sin embargo, debido a la disipación de calor limitada en el equipo de conmutación aislado por gas y su margen térmico relativamente pequeño, a menudo son necesarias mejoras en el diseño para satisfacer los requisitos de 60 Hz. Los productos que han pasado la prueba de aumento de temperatura a 1,1× la corriente nominal según las normas chinas generalmente pueden cumplir con el requisito de 60 Hz.

4 Corriente de Cortocircuito Sostenida Nominal y Corriente de Pico Sostenida Nominal
Los valores recomendados de corriente de cortocircuito sostenida para el equipo de conmutación aislado por gas de IEEE se muestran en la Tabla 3. A diferencia de las normas chinas, que especifican una duración de cortocircuito de 3 s o 4 s, la norma IEEE define una duración de cortocircuito de 2 segundos.

Además, debido a que el sistema IEEE opera a 60 Hz (en contraposición a 50 Hz), la corriente de pico sostenida nominal se define como 2,6 veces la corriente de cortocircuito sostenida nominal. Por ejemplo, una corriente de cortocircuito sostenida nominal de 31,5 kA corresponde a una corriente de pico sostenida nominal de 82 kA—ligeramente superior a los 80 kA típicos en China. Para resistir las fuerzas electrodinámicas generadas por tales corrientes de pico de cortocircuito, la presión de contacto y la resistencia mecánica de componentes como los contactos deben ser reforzadas.

Tabla 2 – Calificaciones Recomendadas de Corriente de Cortocircuito Sostenida para el Equipo de Conmutación Aislado por Gas de IEEE